食品干燥原理第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六用加熱的方法除去濕物料中的濕分以獲得固體產品的單元操作稱為干燥。干燥方法按加熱方式可分為四大類(1)導熱干燥熱量通過與食品物料接觸的加熱面直接導入，使材料中的濕分汽化排除，達到干燥的目的。(2)對流干燥熱量以對流的方式傳遞給濕物料，使食品材料中的濕分汽化，以達到干燥的目的。干燥介質（空氣）既是載熱體又是載濕體。第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六(3)輻射干燥熱量通過電磁波的形式由輻射加熱器傳遞給食品材料表面，再通過材料自身的熱量傳遞，使內部的濕分汽化，達到干燥的目的。(4)介電加熱干燥在高頻電場中，食品材料中的濕分分子處于高速旋轉與振動，由此產生的熱量使濕分汽化，達到干燥的目的。第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六干燥操作既包含傳熱過程又包含傳質過程，兩者的傳遞方向可能相同，也可能不同，但遵循的規律是：熱量傳遞方向：熱量總是由高溫區向低溫區傳遞。物質傳遞方向：物質總是由高濃度（或高分壓）區向低濃度（或低分壓）區傳遞。干燥進行的必要條件：物料表面的濕汽的壓強必須大于干燥介質中濕分的分壓。此差值越大，推動力越大。注：本章所論及的濕分為水分，干燥介質為熱空氣。第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.濕空氣的熱力學性質1.1濕含量（濕度）H濕含量是濕空氣中水蒸汽的質量與絕干空氣的質量之比。

或（kg/kg絕干氣）式中：pv、P-分別為水蒸汽分壓和濕空氣總壓，Pa或kPa。濕含量也可理解為單位質量（1kg）絕干空氣中所容納的水蒸汽質量。第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.2相對濕度濕空氣中水蒸汽分壓與同溫度下水的飽和蒸汽壓之比。式中：pv、ps-分別為水蒸汽分壓和同溫度下水的飽和蒸汽壓，Pa或kPa。相對濕度用來衡量濕空氣的不飽和程度，反映濕空氣的吸收水汽的能力，φ值越小，吸收水汽的能力越強。對于飽和濕空氣，φ=1（或100%）；對于絕干空氣，φ=0。第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六注意：當濕空氣達到飽和時，表示其中所含的水蒸汽量已經達到最大值，超過此值的水分量必將以液態水的形式析出。因此，φ≤1。∴

第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.3濕空氣的比熱容CH和濕比容υH將濕空氣中1kg絕干空氣及其所帶的Hkg水蒸汽的溫度升高1℃所需吸收的熱量。將絕干空氣及水蒸汽的平均比熱容代入可得：（kJ/kg絕干氣·℃）第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六濕空氣的濕比容υH是指含有1kg絕干空氣的濕空氣所占有的體積（m3/kg絕干空氣）。或

式中：t-濕空氣的溫度，℃；P0、P-分別為標準大氣壓和濕空氣的壓強，Pa或kPa。對常壓濕空氣，P0/P=1。第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.4濕空氣的熱含量(焓)I濕空氣的熱含量（或焓）I是指含單位質量絕干空氣的濕空氣的焓。具體應用時，以0℃的絕干空氣和0℃的液態水的焓值為零作為計算起點。或(kJ/kg絕干氣)式中:t為濕空氣的溫度,℃。第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.5干球溫度t和濕球溫度tm干球溫度t：用一般溫度計所測得的空氣溫度；濕球溫度tm：用濕球溫度計所測得的空氣溫度。濕球溫度計：將溫度計的感溫部分包以濕紗布使其始終處于潤濕狀態所構成的溫度計。濕球溫度形成的原理：因物質交換(濕度不同)導致熱量交換,最終達到熱、質的傳遞平衡。第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六傳熱達平衡時,有：或式中：Hs-液滴表面空氣層的飽和濕含量第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六kH-氣化系數，kg/（m2·s）；LV-水在tm下的汽化潛熱，kJ/kg；α-對流傳熱系數，kW/(m2·℃)；A-傳熱（質）面積，m2。對空氣—水系統:α/kH=CH≈1.09kJ/kg.℃第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.6露點td濕空氣的露點td是不飽和空氣在其總壓和濕度保持不變的情況下，被冷卻降溫達到飽和狀態時的溫度。若濕空氣的溫度降低到露點以下，則所含超過飽和部分的水蒸氣將以液態水的形式凝結出來。由于濕度不變，因此有：第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六

或

此式即為露點計算式。由上式求得psd后，查飽和水蒸汽表可得td；或由下式計算td：式中，psd的單位為Pa，td的單位為℃。濕空氣的幾個溫度之間的關系：對于不飽和濕空氣，有t>tm>td；對于飽和濕空氣，有t=tm=td。第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2.濕空氣的濕焓圖及使用方法

2．1濕空氣的濕焓圖（H－I圖）第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六見書P791，Fig12-5，本圖是在總壓強等于101.33kPa下繪制的。第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六特別提示：濕焓圖上的任一參數值均是以1kg絕干空氣為基準的。濕空氣的H-I圖由以下諸線群組成：1）等濕度線（等H線）群等濕度線是平行于縱軸的直線群，數值從0到0.15kg/kg絕干氣。2）等焓線（等I線）群等焓線是平行于斜軸的直線群（與縱軸的夾角45o），數值從0到480kJ/kg絕干氣。第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3）等干球溫度線（等t線）群等干球溫度線是一系列向上傾斜但互不平行的直線群，數值從-10℃到185℃。4）等相對濕度線（等φ線）群等相對濕度線是一系列向上傾斜彎曲的曲線群，從φ=5%到φ=100%共11條。5）水蒸汽分壓線圖中右下角的一系列水平直線群，數值從0到18kPa。第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2.2濕焓圖的應用1）由H-I圖上任一狀態點確定濕空氣的狀態參數值，方法見下圖：由圖可清楚的看出：對于不飽和濕空氣，有t>tm>td；對于飽和濕空氣（狀態點A落在φ=100%線上），有t=tm=td。特別提示：濕焓圖上φ=100%線上任一點均表示濕空氣處于飽和狀態第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2）由濕空氣的任意兩個獨立參數在H-I圖上確定狀態點A。a）已知t，tmb）已知t，tdc）已知t，φ第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3.濕空氣的基本狀態變化過程3．1間壁式加熱和冷卻以及冷（卻）凝減濕過程1）間壁式加熱和冷卻特點：等濕過程，過程線為直線，加熱↑，冷卻↓。第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2）間壁式冷（卻）凝減濕過程第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六當濕空氣被冷卻至露點時，空氣達到飽和狀態，濕空氣中的水蒸汽就開始在冷卻面上凝結出來，隨著冷卻過程的進行，水分也不斷析出，而溫度則不斷降低，但空氣始終維持在飽和狀態，這時，過程線主要沿φ=100%線變化。特別提示：當空氣濕度不變時，既可用濕比熱法又可用焓差法計算狀態變化的熱量，但空氣濕度變化時，只能用焓差法計算狀態變化的熱量。第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3．2不同狀態濕空氣的混合過程設有兩股空氣，對應的絕干空氣量為L1和L2，對應的狀態為（H1，I1）和（H2，I2），混合后的濕度和焓值可由物料及熱量衡算求得。混合前后水分量不變：L1H1+L2H2=（L1+L2）Hm混合前后焓值不變：L1I1+L2I2=（L1+L2）Im

由上兩式可得：第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六可見，混合點m（在H-I圖上）位于1，2兩狀態點的聯線上，且m點劃分線段1-2，使（杠桿定律）。第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六同時可由上兩式解得：，第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六［例12-1］空氣的溫度為30℃，露點溫度為12℃，問：(1)當冷卻到16℃時，相對濕度為多少？(2)有600m3的空氣，當溫度從30℃冷卻到2℃時，能失去多少千克水？解：

第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六（1）等濕冷卻過程。首先確定新鮮空氣的狀態點（H1=0.0088，φ1=33%），然后作等濕線與t=16℃的等溫線相交，可讀得過此交點的φ值為80%。（2）冷凝減濕過程。先由等溫線t=2℃與ф=100%線的交點可讀得H2=0.0043kg/kg絕干氣。然后計算新鮮空氣的濕比容以求絕干空氣量L。第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六除去的水分量：第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.濕物料的基本性質第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.1濕物料的形態和物理性質

濕物料可按其外觀形態的不同而分為下列幾種：①～⑧（P793）濕物料又可按其物理化學性質的不同粗略分為兩大類：①～②（P794）第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.2濕物料中水分存在形式和表示法

(1)物料中水分存在形式①機械結合水：這部分水處于食品表面和粗毛管中，與干物質結合較松弛，以液態存在，易于除去。②物理化學結合水：這部分水是指吸附水、滲透水和結構水，其中吸附水與物料結合比較牢固，難于除去。③化學結合水：這部分水是經過化學反應按一定比例滲于干物質分子內部，與干物質結合比較牢固，若去掉這部分水必然要引起物理性質和化學性質的變化，這種水不是干燥要排除的。第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六(2)物料中水分含量表示法

表達方法有濕基含水量和干基含水量兩種。濕基含水量ω：濕物料中含有的水分質量與濕物料的總質量之比。②干基含水量X：濕物料中含有的水分質量與絕干物料的質量之比。第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六兩者之間的換算關系為

，第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4．3平衡水分平衡水分：濕物料與一定狀態（溫度和濕度一定）的空氣接觸達平衡時，殘余在濕物料中不能排除的水分。平衡水分與空氣相對濕度的關系曲線稱為吸附等溫線。若干種食品的吸附等溫線參見圖12-9，10和表12-1。平衡水分與物料的性質和空氣的狀態有關。濕物料中各種水分的意義：第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六由圖可得：當物料性質一定時，它的平衡水分與空氣的狀態有關。當溫度不變時，平衡水分與空氣的相對濕度的關系是：空氣的相對濕度越大，平衡水分也越大。一般當φ不變時，溫度升高，平衡水分略有降低，但溫度變化范圍不大時，可認為平衡水分僅與φ有關。可除去水分：在干燥操作中所能除去的水分，即物料中所含大于平衡水分的那部分水分。第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六特別提示：改變空氣的狀態，就可以改變物料的平衡水分。第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六5．濕物料常壓熱風干燥過程第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六通常干燥系統由兩個主要部分組成：空氣預熱器和干燥器（室），如圖所示。

第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六5．1熱風干燥過程計算下列符號的意義：G1——濕物料的處理量，kg/h；G2——干燥產品量，kg/h；GC——濕物料中絕干物料量，kg/h；L——以絕干空氣計的空氣消耗量，kg/h。QP——空氣預熱器耗熱量，kJ/h。(1)產品量和汽化水分量干燥過程中，絕干物料的量不變，即第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六干燥產品量：汽化水分量：以干基含水量表示時，有：2)空氣消耗量L對干燥系統作水分的衡算，有：定義：為單位空氣消耗量（即每汽化1kg水分所消耗的絕干空氣量）。第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六耗熱量QP對預熱器作熱量衡算，有：對干燥器作熱量衡算，有：式中：QD—干燥器內補充的熱量，kJ/h；ΣQL—因物料、運輸機械的出入所帶走的熱量與干燥器的散熱損失之和，kJ/h；第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六特別提示：若物料、運輸機械的出入是帶走熱量，則其值為正“+”；若物料、運輸機械的出入是帶入熱量，則其值為負“-”。ε—每汽化1kg 水分干燥器凈收入的熱量，kJ/kg汽化水。若ε=0，即I1=I2，稱為等（恒）焓干燥過程（也稱絕熱干燥過程），所用干燥器稱為理論（想）干燥器。過程線沿等焓線變化。若ε≠0，即I1≠I2，稱為非等（恒）焓干燥過程（也稱非絕熱干燥過程），所用干燥器稱為實際干燥器。ΣQL的計算：ΣQL=GC（I2，-I1，）+QTR+QL下列干燥器QTR=0：回轉筒干燥器，氣流干燥器，噴霧干燥器，沸騰床（流化床）干燥器。濕物料的焓值按下式計算：I，=Cmθ=(CS+4.187X)θ式中：CS—絕干物料的比熱容，kJ/kg.℃由濕物料焓的計算式可推得：式中：干燥產品的比熱容，kJ/kg.℃。第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六空氣離開干燥器時狀態參數的確定用途：用于非等（恒）焓干燥過程。非等焓干燥時，要確定空氣離開干燥器時的狀態參數就較為困難。通常，空氣出口的已知參數為t2或φ2（或其它參數）。當出口溫度t2已知時，可用解析法求解其它狀態參數，其方法是聯立以下兩個方程：可求得H2，I2。當給出φ2（或其它參數）時，可在H-I圖上圖解求其它狀態參數。設為過程線，P為1-2線上任一點，因1-2為直線，必有：第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六即1-P和1-2線重合。過程線1-2的畫法如下：用求ε，若ε已知，則直

接到2）；2.由，任給一個H值，可求一個I值，由此H，I值定出P點，聯1，P并延長與φ2（設φ2已知）線相交于2點，則點2即為所求出口空氣的狀態點。

第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六5．2干燥器的熱效率熱效率是指用于蒸發水分所需的熱量與輸入干燥系統的總熱量之比，即第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六提高熱效率的途徑：降低空氣的出口溫度（但此法有一定限度，一般空氣的出口溫度t2應比進入干燥器時的濕球溫度高20～50℃）。2）采用廢氣（出干燥器的空氣稱為廢氣）循環操作。［例12-2］在一等焓干燥器內將含水率為24％的物料干燥至15.5％（濕基）。原料處理量為4200kg/h，如果干燥空氣從溫度為5℃，相對濕度為60％的環境狀態下加熱至43℃，試確定風機的風量（m3/h）和預熱器加熱量，假定從該物料中排出的廢氣相對濕度為98％。第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六解：該過程空氣的狀態變化如圖所示（0→1→2）。第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1）汽化的水分量W由圖讀得：H0=0.0032kg/kg絕干氣，I0=13.0kJ/kg絕干氣；H1=0.0032kg/kg絕干氣，I1=51.0kJ/kg絕干氣；H2=0.0131kg/kg絕干氣。2）新鮮空氣體積流量V

第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3）預熱器加熱量QP第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六［例12-3］某糖廠的回轉干燥器的生產能力為4030kg/h（以干燥產品計），濕糖水分1.27％，于31℃下進入干燥器。離開干燥器時水分為0.18%（均為濕基），溫度為36℃，環境空氣溫度為20℃，濕球溫度17℃，空氣經預熱至97℃后進入干燥器。自干燥器排出的廢氣溫度40℃，其濕球溫度為32℃，已知產品的比熱容為1.26kJ/(kg·K)，試求：①干燥器的散熱損失；②干燥器的熱效率。解：1)汽化的水分量W第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2）空氣消耗量L查H-I圖（P791），得：H0=H1=0.011kg/kg絕干氣，H2=0.028kg/kg絕干氣，I0=49.4kJ/kg絕干氣,I1=125kJ/kg絕干氣，I2=113kJ/kg絕干氣。3）干燥器散熱損失QL

由第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六QD=0，則：又ΣQL=GC（I2，-I1，）+QTR+QL對回轉筒干燥器，QTR=0，則：(其中，GC=4030×（1-0.0018）=4023kg/h)第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4)干燥器熱效率6對流干燥理論6．1物料干燥機理一般干燥過程是水分由物料內部擴散至表面后，在表面汽化，并向氣相中傳遞。表面汽化控制：濕物料內部的水分能夠迅速到達物料表面（即內擴散速率遠大于表面汽化速率），使物料表面保持充分的潤濕狀態，物料表面溫度約等于空氣的濕球溫度。內部擴散控制：濕物料內部的水分無法及時到達物料表面（即內擴散速率遠小于表面汽化速率），汽化表面不斷向內部轉移，物料表面溫度不斷升高。

第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六6．2干燥速率和干燥特性曲線按空氣狀態參數的變化情況，干燥過程可分為恒定干燥操作和變動干燥操作兩類。恒定干燥操作：干燥過程中空氣的狀態不變的操作。一般用大量空氣對少量物料進行的間歇干燥即屬于此。變動干燥操作：干燥過程中空氣的狀態不斷變化的操作，一般連續式干燥操作均屬于此。以下僅討論恒定干燥操作的情況。干燥速率U：單位時間內、單位干燥面積上汽化的水分質量，即：第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六因為∴

干燥特性曲線包括水分隨干燥時間而變化的曲線X=f(t)，物料表面溫度隨時間而變化的曲線θ=g(t)及干燥速率隨時間而變化的曲線U=h（t）。第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六典型干燥過程都可明顯的劃分為兩個階段：恒速干燥和降速干燥階段。（1）恒速干燥階段：為表面汽化控制，此階段的物料溫度達到了干燥空氣的濕球溫度，干燥速率維持不變。（2）降速干燥階段：為內部擴散控制，干燥速率逐漸下降，物料溫度逐漸上升，物料水分曲線趨于平緩。（3）干燥過程的臨界含水量XC：恒速干燥與降速干燥階段的轉折點所對應的物料含水量，表明表面汽化控制和內部擴散控制的界限。典型干燥特性曲線如下圖所示：

第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六6．3干燥時間6．3．1恒速干燥時間t1從X1→X2所需時間（X1>X2≥XC）。第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六由可得：UC的獲取方法：1）直接查干燥速率曲線；2）由下述公式計算：

第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六式中：t，tm—分別為空氣的干、濕球溫度，℃；Lv—為水在tm下的汽化潛熱，J/kg；α—空氣對物料的對流傳熱系數，W/（m2.℃）。

α可由下式計算：氣流平行流過料層α=14.3(L’)0.8(W/m2·℃)式中：L‘為濕空氣質量流速，kg/(m2·s)，上式適用于L‘＝0.7～8.1kg/(m2·s)。②氣流垂直穿過料層α=24.1(L’)0.37(W/m2·℃)上式適用于L＝1.1～5.5kg/(m2·s)。③固體懸浮于氣流中

第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六